DE2742825C2

DE2742825C2 - Solar collector

Info

Publication number: DE2742825C2
Application number: DE2742825A
Authority: DE
Inventors: Richard Howard Berwyn Pa. Heffelfinger
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: Joule Inc (eine Ges Ndgesetzen D Staates New
Priority date: 1976-09-27
Filing date: 1977-09-23
Publication date: 1985-10-10
Also published as: IL52912A; JPS5363635A; US4124019A; IT1086024B; JPS556823B2; GB1584816A; IL52912A0; FR2365761B1; BE859074A; FR2365761A1; ES462653A1; DE2742825A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Solarkollektor gernäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Ein derartiger Solarkollektor ist aus der US 32 27 153 bekannt The invention relates to a solar collector according to the preamble of claim 1. Such a solar collector Solar collector is known from US Pat. No. 3,227,153

Mit dem Ansteigen der Energiekosten von Erdöl und Erdgas werden die Bemühungen verstärkt, eine bessere Ausnutzung der Sonnenenergie zu erreichen. Bei der Wahl der Konstruktion eines Solarkollektors sind dabei die Herstellungskosten der Anlage und die Unterhaltskosten die wesentlichen Gesichtspunkte. As the energy cost of oil and gas increases, efforts are being made to find a better one To achieve utilization of solar energy. When choosing the construction of a solar collector are included the manufacturing costs of the system and the maintenance costs are the main considerations.

Bekanntlich geht ein Teil der von der Sonne kommenden elektromagnetischen Strahlung durch transparente Materialien, beispielsweise Glas, hindurch und kann ein hinter dem Glas befindliches lichtdurchlässiges Objekt aufheizen. Gewöhnlich wird der Zwischenraum zwischen dem transparenten Material und dem Gegenstand evakuiert, um Wärmeverluste durch Wärmeleitung im Gas und durch Konvektion zu verhindern. Derartige Anordnungen sind in den US-Patentschriften 9 80 505 und 24 60 482 beschrieben. Dort ist eine rohrförmige Doppelwand-Konstruktion vorgesehen, und innerhalb des inneren Rohres befindet sich ein Strömungsmittel. Aus der US 24 60 482 ist ferner bekannt, die äußere Oberfläche des inneren Rohres mit einem Material zu überziehen, welches die Sonnenstrahlen gut absorbiert. Zur Vergrößerung der wärmeabsorbierenden FlächeIt is well known that some of the electromagnetic radiation coming from the sun passes through transparent ones Materials, for example glass, through and can be a translucent object located behind the glass Warm up. Usually the space between the transparent material and the object becomes evacuated to prevent heat loss through heat conduction in the gas and through convection. Such Arrangements are described in U.S. Patents 980,505 and 2,460,482. There's a tubular one there Double wall construction is provided and fluid is located within the inner tube. From US 24 60 482 it is also known to cover the outer surface of the inner tube with a material cover, which absorbs the sun's rays well. To increase the heat-absorbing surface

können auch an den Leitungen Rippen angebracht sein (siehe US 22 74 492). Bei derartigen Anordnungen kann gemäß der US 39 52 724 ein drittes Rohr dazu verwendet werden, die Flüssigkeit in das innere Ende des Gehäuses zu leiten, wo sie dann entlang der Innenseite des inneren Rohres fließen kann. Hierbei ist jedoch nachteilig, daß bei einem Bruch einer der Rohrleitungen die Wärmetransportflüssigkeit ausfließt und das gesamte System funktionsunfähig wird. Weiterhin werden noch ίο einlaßseitige und auslaßseitige Verteilerstücke verwendet, mit denen jeder Kollektor flüssigkeitsdicht verbunden werden muß, wobei dann jede dieser Dichtungen einen Punkt für einen potentiellen Austritt der Flüssigkeit darstelltribs can also be attached to the lines (see US Pat. No. 2,274,492). With such arrangements can according to US 39 52 724 a third pipe can be used to carry the liquid into the inner end of the housing where it can then flow along the inside of the inner tube. However, it is disadvantageous here that if one of the pipelines breaks, the heat transfer fluid flows out and the whole System becomes inoperable. Furthermore ίο inlet-side and outlet-side manifolds are used, with which each collector must be connected in a liquid-tight manner, in which case each of these seals represents a point for a potential leakage of the liquid

Gemäß der eingangs genannten US 32 27 153 ist die U-förmige Rohrleitung am Eintrittsende gasdicht mit dem Gehäuse verbunden und innerhalb des Gehäuses durch einzelne Met?ilklemmen abgestützt Diese Klemmen können jedoch in keiner Weise für eine angemessene Wärmeübertragung vom Gehäuse zur Rohrleitung sorgen. Weiterhin ist bei der bekannten Anordnung nachteilig, daß die aus Metall bestehende Rohrleitung in das äußere Glasrohr eingeschmolzen ist, um eine Vakuumkammer zu bilden. Dabei ist eine Reparatur des Glasgehäuses äußerst schwierig, wenn das Glas gebrochen ist und Strömungsmittel austritt oder das Vakuum verlorengehtAccording to US Pat. No. 3,227,153 mentioned at the beginning, the U-shaped pipeline is also gas-tight at the inlet end connected to the housing and supported within the housing by individual metal clamps These clamps however, in no way can ensure adequate heat transfer from the housing to the pipeline care for. A further disadvantage of the known arrangement is that the pipe made of metal in the outer glass tube is melted down to form a vacuum chamber. A repair of the Glass housing is extremely difficult if the glass is broken and there is a leakage of fluid or the vacuum get lost

Weiterhin ist aus der US 39 74 824 eine Solarheizeinrichtung bekannt bei der ein inneres Rohr für ein durchfließendes und zu erwärmendes Wärmeträgermedium von zwei zylindrischen Schutzrohren konzentrisch umschlossen ist Dabei absorbiert das innere Schutzrohr einfallende Sonnenstrahlen und leitet sie über radial verlaufende Rippen zum inneren Wärmeträgerrohr.Furthermore, from US 39 74 824 a solar heating device is known in which an inner tube for a flowing through and the heat transfer medium to be heated by two concentric cylindrical protective tubes is enclosed The inner protective tube absorbs incident sun rays and directs them radially running ribs to the inner heat transfer pipe.

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Solarkollektor der eingangs genannten Art derart auszugestalten, daß das Gehäuse einfach und schnell montiert oder ausgewechselt werden kann und trotzdem eine gute Wärmeübertragung von dem Gehäuse auf die das Wärmetransportmittel führende Leitung erhalten wird.It is the object of the invention to design a solar collector of the type mentioned in such a way that the housing can be installed or replaced quickly and easily and still has good heat transfer is obtained from the housing to the conduit leading the heat transport medium.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.This object is achieved by the characterizing features of claim 1.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnetAdvantageous refinements of the invention are characterized in the subclaims

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß die aufgeschnittene, federnde Buchse nicht nur die das Wärmetransportmittel führende Leitung haltert, sondern durch seine kraft- und formschlüssige Anbringung auch für einen großflächigen Wärmeübergang sorgt Da ferner die Leitung kein Bestandteil des Gehäuses ist, das vorteilhafterweise aus Glas besteht und eine Vakuum-Kammer bildet, kann bei einem Bruch des Gehäuses auch kein Wärmetransportmittel austreten, so daß zwar der Wirkungsgrad etwas kleiner wird, aber die Funktionstüchtigkeit der Anlage ingesamt erhalten bleibtThe advantages achievable with the invention are in particular that the cut, resilient Socket not only holds the line leading the heat transfer medium, but also through its non-positive and form-fitting Attachment also ensures a large-area heat transfer. Furthermore, the line is not a component of the housing, which is advantageously made of glass and forms a vacuum chamber, can at a break in the housing and no heat transfer medium escape, so that although the efficiency is somewhat becomes smaller, but the overall functionality of the system is retained

Bei dem Solarkollektor gemäß der Erfindung ist weiterhin von Vorteil, daß die das Wärmetransportmittel führende U-förmige Leitung in ein offenes Ende des Gehäuses eingeführt wird. Dadurch kann die aus Metali bestehende Leitung unabhängig von dem aus Glas bestehenden Gehäuse gefertigt und transportiert werden, und bei einem Bruch des Gehäuses kann dieses am Betriebsort einfach ausgewechselt werden.In the solar collector according to the invention, it is also advantageous that the heat transport means leading U-shaped conduit is inserted into an open end of the housing. This allows the metal existing cables are manufactured and transported independently of the housing made of glass, and if the housing breaks, it can easily be replaced at the operating site.

Die Erfindung wird nun anhand der Beschreibung und Zeichnung von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigtThe invention will now be explained in more detail with reference to the description and drawing of exemplary embodiments. It shows

Fig. 1 einen Solarkollektor gemäß einem Ausfüh-Fig. 1 shows a solar collector according to an embodiment

rungsbeispiel mit und ohne rohrförmigem Gehäuse, weiches teilweise zur übersichtlicheren Darstellung weggebrochen gezeigt ist,Example with and without a tubular housing, some soft for a clearer representation shown broken away,

F i g. 2 einen Schnitt durch die Buchse und die Leitung nach Fig. 1,F i g. 2 shows a section through the socket and the line according to Fig. 1,

F i g. 3 eine Draufsicht einer Anordnung mehrerer Solarkollektoren,F i g. 3 a plan view of an arrangement of several solar collectors,

F i g. 4 eine Endansicht der Anordnung nach F i g. 3,F i g. Figure 4 is an end view of the arrangement of Figure 4. 3,

F i g. 5 einen Schnitt eines Teils der Anordnung nach Fig. 3,F i g. 5 shows a section of part of the arrangement according to FIG Fig. 3,

F i g. 6 ei:, anderes Ausführungsbeispiel eines Kollektors nach Fig. i,F i g. 6 ei :, another embodiment of a collector according to Fig. i,

F i g. 7 ist ein Schnitt der F i g. 6.F i g. 7 is a section of FIG. 6th

Fig.8 zeigt alternative Einrichtungen als Leitfläche und als Flüssigkeitsleitung.Fig. 8 shows alternative devices as a guide surface and as a liquid line.

F i g. 9 ist ein Schnitt der F i g. 8.F i g. 9 is a section of FIG. 8th.

F i g. 1 zeigt im oberen Teil ein vollständiges Solarkollektor-Element, während in dem unteren Teil das rohrförmige Gehäuse weggenommen ist Die Leitung 10 besteht vorzugsweise aus einem Metall, beispielsweise aus Kupfer, und leitet eine Flüssigkeit, welche durch die aus der Sonnenstrahlung gewonnenen Wärme erhitzt werden soll. Eine Anzahl von Leitungen 10 von getrennten Solarkollektor-Elementen können zu einer einzigen leckfreien Leitung verbunden werden durch Verwendung von in der Installationstechnik üblichen Verbindungen 12, beispielsweise Weichlotstellen (dieses Konzept ist dargestellt in Figur 4 der US 32 27 153). Durch diese Anordnung werden die Leckprobleme überwunden, welche bei Solarkollektoren aufgetreten sind, wenn organische Materialien in Form von Schlauchleitungen verwendet wurden.F i g. 1 shows a complete solar collector element in the upper part, while in the lower part the tubular Housing is removed. The line 10 is preferably made of a metal, for example Copper, and conducts a liquid which passes through it the heat obtained from solar radiation is to be heated. A number of lines 10 of separate Solar collector elements can be connected into a single leak-free pipe by using of connections 12 customary in installation technology, for example soft solder points (this concept is shown in Figure 4 of US 32 27 153). This arrangement overcomes the leakage problems, which occurred with solar collectors when organic materials in the form of hose lines were used.

Wie in den F i g. 1 und 2 gezeigt, besitzt die Leitung 10 in jedem der einzelnen Solarkollektor-Elemente eine U-förmige Gestalt Erfindungsgemäß steht dabei der obere Schenkel des U (in den Abbildungen gesehen) im Wärmeaustausch mit einem gebogenen Teil aus Metallblech, das als Buchse 14 bezeichnet ist In der Anordnung nach F i g. 2 ist die Buchse 14 mit einem Kanal ausgestattet zur Aufnahme des oberen Schenkels der Leitung 10. Es kann sich jedoch die Buchse 14 um den gesamten U-förmigen Aufbau der Leitung herum erstrecken. Es können dabei bekannte Hilfsmittel zur Verbesserung des thermischen Kontaktes zwischen der Buchse 14 und der Leitung 10 verwendet werden, beispielsweise die Verbindung dieser Teile durch Verschweißen oder durch Spachtelmassen (F i g. 7).As shown in Figs. 1 and 2, the line 10 has in each of the individual solar collector elements a U-shaped shape. According to the invention, the upper leg of the U (seen in the figures) in heat exchange with a bent part made of sheet metal, which is designated as socket 14 In the arrangement of FIG. 2 is the socket 14 with a channel equipped to receive the upper leg of the line 10. However, the socket 14 can be around the extend around the entire U-shaped structure of the conduit. There can be known aids for improvement of the thermal contact between the socket 14 and the line 10 can be used, for example the connection of these parts by welding or by leveling compounds (Fig. 7).

In dem oberen TOI der Fig. 1 sind das Innenrohr 16 und das Außenrohr \8 abgebildet Am linken Ende sind die Rohre 16 und IS miteinander verbunden. Am rechten Ende sind diesft Rohre jedoch nicht miteinander verbunden. Diese Anordnung wird dort bevorzugt, wo eine stärkere Längenausdehnung des Innenrohrs 16 im Vergleich zum Außßirohr 18 wegen ihrer Temperaiurdifferenzen erwartet wird. Wenn zu erwarten ist, daß diese Temperaturdifferenzen nicht erheblich sind, dann kann eine Anordnung verwendet werden, bei welcher beide Enden der Rohre miteinander verbunden sind (F i g. 3 der US 9 80 505). Der Zwischenraum zwischen den beiden Rohren wird dabei evakuiert oder ausgepumt, um den Wärmeübergang vom Innenrohr auf das Außenrohr zu reduzieren. Die Spitze 20 des Außenrohrs 18 wird dann durch Abquetschen verschlossen. Gewünschtenfalls kann in dem evakuierten Raum ein Getter vorgesehen werden zur Absorption von Restgasen oder austretenden Gasen. In dieser Ausführungsform ist eine Abstandseinrichtung 22 vorgesehen zur Einhaltung des Abstandes zwischen den rechten Enden des Innenrohrs 16 und des Außenrohrs 18.In the upper TOI of FIG. 1, the inner tube 16 and the outer tube 8 are shown. At the left end, the tubes 16 and IS are connected to one another. At the right end, however, these pipes are not connected to one another. This arrangement is preferred where a greater length expansion of the inner tube 16 compared to the outer tube 18 is expected because of their temperature differences. If it is to be expected that these temperature differences will not be significant, then an arrangement can be used in which both ends of the tubes are connected to one another (FIG. 3 of US 9 80 505). The space between the two pipes is evacuated or pumped out in order to reduce the heat transfer from the inner pipe to the outer pipe. The tip 20 of the outer tube 18 is then closed by squeezing off. If desired, a getter can be provided in the evacuated space for absorbing residual gases or escaping gases. In this embodiment, a spacer device 22 is provided to maintain the distance between the right ends of the inner tube 16 and the outer tube 18.

Zur Erzielung eines maximalen Wärmeübergangs vom Innenrohr 16 auf die Buchse 14 wird diese mit einem Außendurchmesser hergestellt, welcher geringfügig größer ist als der Innendurchmesser des Innenrohrs 16. Wenn dann die Kombination aus Innenrohr und Außenrohr über die Buchse 14 geschoben wird, dann liegt diese unter Spannung an der Innenwand des Innenrohrs an. Offensichtlich wird die Buchse 14 so lang wie möglieh gemachtIn order to achieve maximum heat transfer from the inner tube 16 to the socket 14, the latter is also used made an outer diameter which is slightly is larger than the inner diameter of the inner tube 16. If then the combination of inner tube and outer tube is pushed over the socket 14, then this is under tension on the inner wall of the inner tube at. Obviously, the sleeve 14 is made as long as possible

Das Außenrohr 18 ist lichtdurchlässig und besteht vorzugsweise aus Glas, beispielsweise aus Borsilikat-Glas oder Natronkalk-Glas. Das Innenrohr 16 kann aus dem gleichen Material bestehen. Seine Außenfläche besitzt jedoch vorzugsweise einen Überzug mit einem hohen Verhältnis von Absorptionskoeffizient und Emissionskoeffizient oder einem hohen Verhältnis α/ε um auf diese Weise eine maximale Strahlung zu erhalten, welche als Wärme durch das Innenrohr 16 absorbiert und durch das Rohr hindurch zur Buchse 14 und zur Leitung 10 geleitet wird und dadurch die Flüssigkeit in der Leitung 10 erhitztThe outer tube 18 is translucent and is preferably made of glass, for example borosilicate glass or soda lime glass. The inner tube 16 can consist of the same material. However, its outer surface preferably has a coating with a high ratio of absorption coefficient and emission coefficient or a high ratio α / ε in order to obtain in this way a maximum radiation which is absorbed as heat through the inner tube 16 and through the tube to the socket 14 and to Line 10 is passed and thereby the liquid in line 10 is heated

Die Fig.3 zeigt einen Teil einer Anordnung von mehreren einzelnen Solarkollektoren 24. Es ist dabei zu beachten, daß die Abbildungen nicht maßstabsgetreu sind. Die Abmessungen, beispielsweise die Länge des Rohrgehäuses, sind jedoch nicht kritisch und können nach den verschiedensten Gesichtspunkten ausgewählt werden, beispielsweise gemäß den handelsmäßig bereits für einen anderen Zweck gefertigten Rohren (beispielsweise Leuchtstofflampen). Wie am besten aus den F i g. 4 und 5 ersichtlich ist, werden die einzelnen Solarkollektoren 24 von einem Strahlungs- Reflektor 26 getragen, welcher auch noch Sonnenstrahlung auf diese Elemente zurück reflektiert Polster 28 (F i g. 5) umgeben die einzelnen Solarkollektoren 24 am linken Ende und können durch Klebstellen an diesen befestigt sein. Die Polster 28 können aus Schaumgummi oder ähnlichem Material bestehen. Ein Band 30 kann aus Metall bestehen und hält die linken Enden der Solarkollektoren 24. Schutzteile 32 können aus irgend einem formbaren oder flexiblen Material bestehen und dienen zur Befestigung der rechten Enden der Rohre 16, 18 in der Innenwand 34 des Behälters 36. Der Behälter 36 besitzt in der Abbildung keine Abdeckung; es kann jedoch als Addeckung und zur Verhinderung eines Bruchs eine Platte aus einem Polykarbonat-Kunstharz verwendet werden.3 shows part of an arrangement of several individual solar collectors 24. It should be noted that the illustrations are not true to scale are. However, the dimensions, for example the length of the tubular housing, are not critical and can can be selected according to the most varied of aspects, for example according to the already commercially available tubes manufactured for another purpose (e.g. fluorescent lamps). How best from the F i g. 4 and 5 can be seen, the individual solar collectors 24 carried by a radiation reflector 26, which also has solar radiation on this Elements reflecting back Cushions 28 (FIG. 5) surround the individual solar collectors 24 at the left end and can be attached to them by adhesive points. The pads 28 can be made of foam rubber or the like Material. A band 30 can be made of metal and holds the left ends of the solar panels 24. Protective parts 32 can consist of any formable or flexible material and are used for fastening of the right ends of the tubes 16, 18 in the inner wall 34 of the container 36. The container 36 has in the Figure no cover; however, it can act as a cover and to prevent breakage of a plate made of a polycarbonate resin can be used.

Es ist auch möglich, die Leitung 10 so anzuordnen,It is also possible to arrange the line 10 so that

daß die U-förmige Anordnung senkrecht steht (F i g. 6that the U-shaped arrangement is vertical (Fig. 6

so und 7) anstellen der horizontalen Lage nach den F i g. 1 und 3. Weiterhin kann als ein Teil des Solarkollektors ein Rohr 38 verwendet werden, das nicht aus Glas besteht; diese Form wird jedoch nicht bevorzugt. Ein mit Metallfasern verstärktes Kohlestoffmaterial oder ein anderes Material mit guter Wärmeleitung ist erwünscht. Alternative Formen der Buchse sind möglich. Die Buchse 40 ist durch Extrudieren hergestellt und es werden dabei als integraler Bestandteil Flüssigkeitsleitungen 42 gebildet Die Enden der Buchse 40 können dabei gewünschtenfalls überlappt sein (F i g. 8 und 9).so and 7) instead of the horizontal position according to the F i g. 1 and 3. Can also be used as a part of the solar collector a tube 38 which is not made of glass can be used; however, this shape is not preferred. One with Metal fiber reinforced carbon material or another material with good thermal conductivity is desirable. Alternative forms of the socket are possible. The bushing 40 is made by extrusion and there will be Liquid lines 42 formed as an integral part of this. The ends of bushing 40 can thereby if desired, be overlapped (Figs. 8 and 9).

Es ist zu beachten, daß irgendeine thermische Expansion oder Kontraktion des Gehäuses relativ zur Buchse 14 und ihrer Leitung 10 keine Spannung zwischen diesen beiden Teilen erzeugt, da diese nicht starr miteinander verbunden sind.It should be noted that any thermal expansion or contraction of the housing relative to the socket 14 and its line 10 does not generate any tension between these two parts, since these are not rigid with one another are connected.

Wenn in den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen ein Gehäuse aus Glasrohr besteht, dann kann das System immer noch weiter betrieben werden, wennIf, in the embodiments described above, a housing is made of glass tube, then can the system will still continue to operate if

auch mit vermindertem Wirkungsgrad, da das rohrförmige Gehäuse keine Leitung für die zu erhitzende Flüssigkeit bildetalso with reduced efficiency, since the tubular Housing does not form a conduit for the liquid to be heated

Hierzu 3 Blatt ZeichnungenFor this purpose 3 sheets of drawings

Claims

Patent claims:

1. Solar collector with a cylindrical, tubular housing that is closed at one end and at the other end of which a U-shaped pipe leading a heat transfer medium into and leads out, which is held in a fixed position relative to the housing, characterized in, that the housing consists of two nested, open at one end, transparent Pipes (16, 18) is formed, which are airtightly connected to one another at their open ends and contain a vacuum in the chamber formed therebetween, wherein the inner tube (16) contains the absorber forms, and that in and out of the open end of the housing line (10) on its straight section with a cylindrical bushing (14) cut open in the longitudinal direction resilient sheet metal is in heat conduction connection, the bushing (14) on its circumference and its length is clampably and thermally conductive against the inner surface of the housing under pressure

2. Solar collector according to claim 1, characterized in that that the cylindrical bushing (40) is formed in one piece with a liquid line (42) is.

3. Solar collector according to claim 1, characterized in that the outer surface of the inner tube (16) with an absorbent cover with high absorbency and low emissivity is provided.

4. Solar collector according to one of claims 1 to 3, characterized in that several solar collectors (24) are fluidly connected in series by connections (12) of the lines (10).